Thiết kế hệ thống thu thập, phân tích và xử lý tín hiệu điện tim di động photoplethysmography (PPG) dựa trên hệ điều hành android

22<br /> Journal of Transportation Science and Technology, Vol 18, Feb 2016<br /> <br /> <br /> THIẾT KẾ HỆ THỐNG THU THẬP, PHÂN TÍCH VÀ XỬ LÝ TÍN<br /> HIỆU ĐIỆN TIM DI ĐỘNG PHOTOPLETHYSMOGRAPHY (PPG)<br /> DỰA TRÊN HỆ ĐIỀU HÀNH ANDROID<br /> PORTABLE HEART RATE MONITORS PHOTOPLETHYSMOGRAPHY SYSTEM<br /> DESIGN BASED ON ANDROID OPERATING SYSTEM<br /> TS. Đặng Xuân Kiên 1, KS. Vũ Đức Hải 2<br /> 1<br /> Viện Đào tạo Sau Đại học - Đại học Giao thông vận tải Tp. Hồ Chí Minh<br /> 2<br /> Trung tâm Y tế Việt Nga Vietsovpetro<br /> Tóm tắt: Trong bài báo này, chúng tôi thiết kế hệ thống thu thập, phân tích, xử lý tín hiệu điện<br /> tim (Electrocardiography - ECG) và hệ thống theo dõi nhịp tim xách tay bằng phương pháp sử dụng<br /> kỹ thuật quang học nhận biết sự thay đổi thể tích máu được điều khiển bởi hoạt động bơm máu của tim<br /> (Photoplethysmography - PPG). Các thiết bị PC và Smartphone thu nhận tín hiệu, phân tích dữ liệu,<br /> phát hiện đỉnh R-R (ECG) và đỉnh của dạng sóng (PPG) để tính toán nhịp tim. Dữ liệu được lưu lại,<br /> sử dụng các mạng (3G, WiFi) truyền thông tin nhịp tim và định vị vị trí (GPS) của bệnh nhân, khi nhịp<br /> tim vượt quá ngưỡng cho phép hoặc bệnh nhân bị ngã đến số điện thoại đăng ký.<br /> Từ khóa: Theo dõi nhịp tim, hệ điều hành Android, thuật toán phát hiện đỉnh tín hiệu.<br /> Abstract: In this paper, we design a data collection system to analyze and process<br /> electrocardiograph (ECG) signals and a portable heart rate monitoring system using the<br /> optical techniques to recognize the fluctuation of blood volume caused by the heart’s pumping<br /> action (Photoplethysmography). PC and Smartphone devices can acquire the signals, analyze data<br /> and detect the peak of R-R (ECG) and the peak of the waveform (PPG) to calculate a heart<br /> rate. The data will be saved and then the information of the heart rate and position of patients<br /> will be transmitted to registered phone by using available networks (i.e., 3G, WiFi).<br /> Keywords: Heart rate monitors, Android Operating System, signal peak detect algorithm.<br /> <br /> Chữ viết tắt ECG, PPG được đo ở các vị trí thường là đầu<br /> PPG Photoplethysmography ngón tay hoặc dái tai mà không cần có các<br /> ECG Electrocardiography điện cực và gel. Đó là một trong những<br /> CVDs Cardiovascular diseases phương pháp không xâm lấn để đo số lượng<br /> HRV Heart Rate Variability thể tích máu bên trong các mạch máu [1].<br /> CMRR Common-mode Rejection Ratio<br /> LED Light-emitting Diode Trong bài báo này, thiết kế và thi công<br /> IC Integrated Circuit hệ thống thu thập, xử lý tín hiệu điện tim<br /> LCD Liquid-crystal Display ECG, thiết bị di động theo dõi nhịp tim sử<br /> GLCD Graphical Liquid-crystal Display dụng PPG. Sử dụng giao tiếp không dây với<br /> COD Chip-on-glass module Bluetooth để truyền dữ liệu, theo dõi<br /> PC Personal Computer qua máy tính và PDA. Các phần tiếp theo sẽ<br /> SMS Short Message Services thực hiện tổng quan về hệ thống. Mục 3 giới<br /> GPS Global Positioning System thiệu về hệ thống con, khối chức năng và các<br /> PDA Personal Digital Assistant<br /> kết quả thử nghiệm cho việc thực hiện của<br /> SPI Serial Peripheral Interface<br /> ADC Analog Digital Convert chúng tôi. Kết luận và cải tiến đề nghị trong<br /> tương lai nằm trong mục 4.<br /> 1. Giới thiệu 2. Tổng quan hệ thống<br /> Thiết bị theo dõi điện tim (ECG) là thiết Tổng quan sơ đồ thiết kế theo dõi điện<br /> bị tiêu chuẩn để chẩn đoán CVDs, sự cần thiết tim PPG của chúng tôi được thể hiện trong<br /> mang tính quan trọng là phải phát triển nó hình 1, hệ thống được chia thành ba phần<br /> thành một thiết bị thu nhỏ để tự đánh giá và chính:<br /> theo dõi bệnh nhân CVDs. Mặt khác, có thể<br />  Thiết bị theo dõi ECG bao gồm: các<br /> đánh giá tình trạng hoạt động của tim bằng<br /> điện cực, mạch khuếch đại, mạch lọc.<br /> cách đo sự biến đổi nhịp tim (HRV). Khác với<br />  23<br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 18-02/2016<br /> <br /> <br />  Thiết bị theo dõi PPG bao gồm: cảm Ánh sáng xuyên qua mô sinh học bị hấp<br /> biến quang học, mạch khuếch đại, mạch lọc thụ với khoảng cách khác nhau, bởi các sắc<br />  Khối giao tiếp với con người bao tố da, xương, động mạch và tĩnh mạch [2].<br /> gồm: Hệ thống các phần mềm và ứng dụng Những thay đổi trong dòng máu chảy xảy ra<br /> trên PC và điện thoại. chủ yếu ở các động mạch và tiểu động. Cảm<br /> biến quang học PPG phát hiện những thay<br /> đổi trong lưu lượng máu (tức là, thay đổi<br /> cường độ quang học) trong mao mạch, thông<br /> qua truyền và phản xạ qua các mô (hình 4<br /> (a)). Tín hiệu PPG là sự chồng chất của hai<br /> xung, xung bơm và xung phản xạ như hình 4<br /> Hình 1. Sơ đồ khối của thiết bị theo dõi điện tim<br /> (ECG), nhịp tim (PPG) và giao tiếp với con người.<br /> (b).<br /> 3. Chức năng của từng bộ phận<br /> Trong phần này, giới thiệu và mô tả vai<br /> trò và đặc điểm của mỗi mô - đun trong hệ<br /> thống.<br /> (a) (b)<br /> 3.1. Thu nhận đo lường tín hiệu Hình 4. (a) Kỹ thuật cơ bản PPG; (b) Dạng sóng<br /> 3.1.1. Điện cực PPG đơn giản<br /> Các điện cực được gắn tiếp xúc với da Nguyên lý đo PPG qua đầu ngón tay.<br /> như hình 2. Một nguồn sáng LED hồng ngoại và một đầu<br /> thu ánh sáng được đặt bên dưới ngón tay của<br /> bệnh nhân để đo sự thay đổi thể tích máu bởi<br /> (a) (b) (c) hoạt động của tim.<br /> Hình 2. (a) Mặt trước; (b) Mặt bên; (c) Mặt dưới của Sử dụng nguồn sáng LED với ánh sáng<br /> điện cực màu xanh lá cây có bước sóng từ 500-600 nm<br /> Để đo điện thế hay đo sự biến đổi hiệu [3-4], và đầu thu ánh sáng phản xạ, chip<br /> thế giữa mặt trong và mặt ngoài màng tế bào APDS-9008 của AVAGO [5], có đáp ứng<br /> cơ tim. Sự biến đổi này bắt nguồn từ sự di tương ứng với nguồn sáng này như hình 5.<br /> chuyển của các ion K+, Na+,… từ ngoài vào<br /> trong màng tế bào và từ trong tế bào ra ngoài<br /> khi tế bào cơ tim hoạt động, tạo tín hiệu sóng<br /> điện tim như hình 3.<br /> Hình 5. Đáp ứng phổ và bước sóng của APDS-9008.<br /> Tín hiệu sóng PPG từ cảm biến rất nhỏ<br /> (khoảng 8mV p-p) và có rất nhiều nhiễu (đặc<br /> biệt nhiễu 50 Hz do điện lưới). Hình 6 tín<br /> hiệu PPG trước khi đi vào vi xử lý).<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 6. Tín hiệu sóng PPG<br /> 3.2. Xử lý tín hiệu<br /> Tín hiệu điện có biên độ cỡ milivôn, với<br /> dải tần số trong khoảng 0,05 cho tới 150 Hz.<br /> Yêu cầu phải khuếch đại tín hiệu điện tim lên<br /> Hình 3. Các giai đoạn hình thành tín hiệu điện tim ở<br /> khoảng 1000 lần. Thiết kế bộ lọc thông cao với<br /> đạo trình chi. tần số cắt 0,05Hz, bộ lọc thông thấp với tần số<br /> 3.1.2. Cảm biến PPG cắt ở 150Hz, mạch chắn dải tần số 50 Hz [6].<br /> 3.2.1. Mạch tiền khuếch đại<br />  24<br /> Journal of Transportation Science and Technology, Vol 18, Feb 2016<br /> <br /> <br /> Sử dụng IC khuếch đại INA126 của Bộ lọc chặn dải được lựa chọn trong<br /> hãng Texas Instrument [7]. Với đặc tính, hệ nghiên cứu này sử dụng bộ lọc Twin – T<br /> số khử nhiễu đồng pha (CMRR) nhỏ nhất là Notch Filter.<br /> 83 dB thích hợp với tín hiệu điện tim yếu dễ<br /> bị ảnh hưởng bởi nhiễu đồng pha. Trở kháng<br /> đầu vào mạch khuếch đại 109. Sơ đồ như<br /> hình 7.<br /> <br /> <br /> Hình 10. Mạch lọc chắn dải 50 Hz.<br /> Công thức xác định tần số cắt:<br /> <br /> (6)<br /> Hình 7. Sơ đồ mạch khuếch đại kết nối điện cực của<br /> điện tim.<br /> Hệ số khuếch đại được tính theo công Qua tính toán chọn được bộ giá trị như<br /> thức: sau:<br /> (7)<br /> (1)<br /> (2) 3.2.5. Khuếch đại đầu ra<br /> 3.2.2. Bộ lọc thông cao Tín hiệu điện tim được khuếch đại với<br /> Mạch lọc thông cao được sử dụng là hệ số 1000V/V (hình 11). Mạch khuếch đại<br /> mạch lọc RC thụ động. Sơ đồ mạch được đầu ra cần một hệ số khuếch đại:<br /> thiết kế như hình 8 dưới đây. (8)<br /> Như vậy mạch tương tự đã tiến hành<br /> khuếch đại tín hiệu điện tim với hệ số:<br /> Hình 8. Sơ đồ bộ lọc thông cao (9)<br /> Tần số cắt:<br /> Hình 11 dưới đây là tín hiệu điện tim<br /> (3) trước khi đưa vào vi xử lý.<br /> 3.2.3. Bộ lọc thông thấp<br /> Bộ lọc thông thấp được lựa chọn trong<br /> thiết kế là bộ lọc Butterworth. Sử dụng<br /> khuếch đại thuật toán TLV2622 của hãng<br /> Texas Instrument [8] (Hình 9). Hình 11. Tín hiệu điện tim ECG.<br /> 3.3. Thi công mô hình<br /> 3.3.1. Phần cứng<br /> Với khối điều khiển trung tâm được thực<br /> hiện xây dựng trên nền vi điều khiển<br /> STM32L [9] của hãng STMicroelectronics có<br /> Hình 9. Sơ đồ bộ lọc thông thấp. tần số lên đến 168MHz có khả năng tính<br /> toán, đáp ứng thời gian yêu cầu.<br /> Bộ lọc Butterworth bậc 2 có tần số cắt:<br /> (4)<br /> Chọn các giá trị:<br /> R1  47k , C35  220nF , R60  3.3k , C36  33nF<br /> <br /> (a) (b)<br /> (5) Hình 12. (a) mặt trên của mạch; (b) ảnh thực tế sau<br /> khi hàn linh kiện<br /> 3.2.4. Bộ lọc chắn dải 3.3.2. Phần mềm<br />  25<br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 18-02/2016<br /> <br /> <br /> Thiết bị đo được lập trình bằng ngôn ngữ Khi bệnh nhân có bệnh lý về tim mạch,<br /> C, trên phần mềm Keil C [10] để có thể hoạt nghĩa là có nhịp tim bất thường, có thể tăng cao<br /> động ở nhiều chế độ khác nhau: hay xuống thấp dưới mức cảnh báo cài đặt.<br />  Khối thiết bị đo chạy độc lập không<br /> có kết nối với máy tính được lưu lại trên thẻ.<br />  Khối phần mềm theo dõi điện tim<br /> ECG và nhịp tim PPG trên PC.<br /> (a) (b)<br />  Khối phần mềm ứng dụng theo dõi<br /> điện tim ECG và nhịp tim PPG trên<br /> Smartphone.<br /> 3.3.3. Kết quả thực nghiệm<br /> 3.3.3.1. Tiến hành theo dõi điện tim<br /> ECG và nhịp tim PPG trên máy tính:<br /> Kết quả thu được như trên hình 14.<br /> <br /> (c) (d)<br /> Hình 16. (a,b) Cài đặt thông số cho smartphone<br /> của bệnh nhân; (c) Kết quả sau khi chỉ số vượt<br /> ngưỡng và khi bệnh nhân bị ngã.<br /> (a) (b) Nhận xét: Đây là tính năng nổi bật của<br /> Hình 13. Phần mềm theo dõi ECG hệ thống sử dụng công nghệ ifall [12] với<br /> (a);Theo dõi PPG(b) những cảnh báo thiết thực giúp bệnh nhân<br /> Nhận xét: Giao diện thân thiện với nâng cao ý thức tự chăm sóc sức khỏe, cũng<br /> người sử dụng, thông tin chỉ số hiển thị rõ như cho phép người thân biết vị trí và tình<br /> ràng và đầy đủ. Với cơ sở dữ liệu chuẩn hóa trạng bệnh nhân khi xảy ra tai nạn.<br /> từ hội tim mạch quốc gia Hoa Kỳ [11] sẽ đưa<br /> 3.3.3.4. Tiến hành thử nghiệm độ chính<br /> ra lời khuyên và chuẩn đoán có tính chính<br /> xác của thiết bị theo dõi điện tim ECG và<br /> xác cao hình 14.<br /> nhịp tim PPG:<br /> Sử dụng mạch phát tín hiệu điện tim giả<br /> để theo dõi điện tim bằng thiết bị như hình<br /> 17 (a) và bằng thiết bị y tế chuyên dụng trong<br /> Hình 14. Nhịp tim tham khảo theo hiệp hội tim mạch<br /> phòng hồi sức (model: VTZOR, hãng sản<br /> Hoa Kỳ xuất: HEYER Medical – Đức) như hình 17<br /> 3.3.3.2. Tiến hành theo dõi điện tim (b).<br /> ECG và nhịp tim PPG trên Smartphone:<br /> Kết quả thu được như trên hình 15.<br /> <br /> <br /> (a) (b)<br /> (a) (b) Hình 17 (a) và (b). Sử dụng mạch phát tín hiệu điện<br /> Hình 15. Phần mềm ứng dụng theo dõi ECG tim giả để so sánh kết quả thu nhận ECG.<br /> (a);Theo dõi PPG (b) Sử dụng cảm biến quang để đo nhịp tim<br /> Nhận xét: Hệ thống theo dõi điện tim PPG của thiết bị và của thiết bị y tế chuyên<br /> ECG và nhịp tim PPG với Smartphone với dụng.<br /> ưu điểm kết cấu gọn nhẹ do truyền nhận dữ<br /> liệu bằng công nghệ Bluetooth.<br /> 3.3.3.3. Tiến hành thực nghiệm xác<br /> định vị trí (GPS), cảnh báo khi bệnh nhận<br /> gặp tai nạn: Hình 18. So sánh nhịp tim với thiết bị y tế chuyên dụng.<br />  26<br /> Journal of Transportation Science and Technology, Vol 18, Feb 2016<br /> <br /> <br /> Nhận xét: Đối với tín hiệu điện tim, nhịp truyền tải dữ liệu ECG và PPG với internet<br /> tim thiết bị cho kết quả gần như tương tự với thông qua mạng 3G, 4G. Cuối cùng, có thể<br /> thiết bị y tế chuyên dụng. Ngoài tính chính tích hợp tất cả các thiết bị điện tử trong mô -<br /> xác, độ tin cậy, chi phí sản xuất thiết bị được đun truyền tín hiệu vào một Chip điện tử,<br /> thống kế bằng bảng dưới đây: như SOC, do vậy các thiết bị có kích thước<br /> Bảng 1. Thống kê chi phí sản xuất một thiết bị cực nhỏ hoặc thậm chí có thể cấy vào bệnh<br /> Ký Chức năng Thông số Số Giá nhân để khai thác tín hiệu <br /> hiệu lượng thành<br /> (VNĐ) Tài liệu tham khảo<br /> B1 Buzzer 01 5,000 [1] J. Allen, “Photoplethysmography and its application<br /> BT1 3.7V/xxxmAh Battery 3.7 01 80,000 in clinical physiological measurement,” Physiological<br /> V/1020mAh Measurement, vol. 28, no. 3, pp. R1–R39, 2007.<br /> Cx, Rx, Tụ, điện trở, 90,000 150JQ Times Cited:141 Cited References Count:269<br /> LED… LED,… [2] Toshiyo Tamura, Yuka Maeda, Masaki Sekine and<br /> Pulse Pulse sensor 3 Pins, Vin=3 01 180,000 Masaki Yoshida, “Wearable Photoplethysmographic<br /> sensor -> 5 V Sensors—Past and Present”, 23 April 2014.<br /> M1 HC06 Module 01 100,000 [3] Yuka Maeda, Masaki Sekine, Toshiyo Tamura, Koichi<br /> U1 STM32Lxx MCU ARM 01 60,000 Mizutani, “Evaluation of green light PPG in Heart<br /> 128KB Rate Variability parameters”.<br /> FLASH MEM [4] V. Vizbara, A. Sološenko, D. Stankevičius, V.<br /> 64-LQFP Marozas, “Comparison of green, blue and infrared<br /> PCB Mạch in 01 25,000 light in wrist and forehead photoplethysmography”.<br /> Total 540,000 [5] Avago Technologies, “APDS-9008_Miniature<br /> Surface-Mount Ambient Light Photo Sensor”, June 15,<br /> Thiết bị với chi phí cạnh tranh và tính 2008.<br /> chính xác tin cậy là ưu điểm vượt trội hơn [6] Ajay Bharadwaj, Umanath Kamath, “Accurate ECG<br /> đối với các thiết bị trên thị trường hiện nay. Signal Processing”, Cypress Semiconductor 198<br /> Champion Court San Jose, February 2011.<br /> 4. Kết luận [7] Burr-Brown Products from Texas Instrument, “INA<br /> Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã phát 126_MicroPOWER INSTRUMENTATION<br /> AMPLIFIER Single and Dual Versions”, SBOS062A –<br /> triển thành công thiết bị theo dõi điện tim JANUARY 1996 – REVISED AUGUST 2005.<br /> truyền thống, kết hợp với thiết bị theo dõi [8] Texas Instruments, “TLV2622_FAMILY OF LOW-<br /> nhịp tim di động để giám sát bệnh nhân POWER WIDE BANDWIDTH SINGLE SUPPLY<br /> OPERATIONAL AMPLIFIERS WITH SHUTDOWN”,<br /> CVDs qua đó giải quyết các vấn đề sức khỏe SLOS251D – DECEMBER 2000 – REVISED<br /> chủ yếu liên quan tới y tế công cộng. Thiết bị JANUARY 2005.<br /> được thiết kế với ý tưởng chuyên sâu cho [9] STMicroelectronics, “STM32L15xx6/8/B Ultra-low-<br /> power 32-bit MCU ARM-based Cortex-M3, 128KB<br /> việc theo dõi tim mạch hơn so với các sản Flash, 16KB SRAM, 4KB EEPROM, LCD, USB, ADC,<br /> phẩm theo dõi sức khỏe di động trên thị DAC”, 2013.<br /> trường. Với các chức năng nổi bật: cài đặt [10] ARM KEIL Microcontroller Tools, “Create<br /> Applications with MDK Version 5 for ARM Cortex - M<br /> thông số cảnh báo, cảnh báo giới hạn ngưỡng Microcontrollers”<br /> cho phép, đặc biệt có thể cảnh báo nếu người [11] American Heart Association, “Target Heart Rates”, 8<br /> sử dụng bị ngã đến số điện thoại đăng ký. Jun 2015.<br /> [12] Frank Sposaro and Gary Tyson, “Ifall: An Android<br /> Chính với các chức năng này, thiết bị đã đi Application For Fall Monitoring and Response”,<br /> vào tính chính xác hơn và tiệm cận với các Engineering in Medicine and Biology Society, 2009.<br /> thiết bị y tế chuyên dụng của các hãng sản EMBC 2009. Annual International Conference of the<br /> IEEE, 3-6 Sept. 2009.<br /> xuất lớn trên thế giới.<br /> Với những kết quả này, chúng tôi sẽ Ngày nhận bài: 07/12/2015<br /> kiểm tra đối tượng nhiều hơn và so sánh kết Ngày chấp nhận đăng: 22/12/2015<br /> quả của chúng tôi với các thiết bị y tế Holter Phản biện: TS. Lê Văn Quốc Anh<br /> ECG để đánh giá tính chính xác. Mặt khác,<br /> để tăng tính linh hoạt theo dõi nhịp tim khi<br /> tập thể dục, cần phải gắn thêm cảm biến gia<br /> tốc để loại bỏ chuyển động ảo. Ngoài ra,<br /> chúng tôi muốn mở rộng các chương trình<br /> trong hệ điều hành Android, lập trình thêm<br /> ứng dụng cho hệ điều hành iOS. Có thể<br />